论文部分内容阅读
韦明芳
身份证号码：450104196811280520
【摘 要】在桥梁建设中深水桩基础施工平台的建设是整个桥梁建设中非常重要的一个环节，平台搭建的好坏直接影响桥梁主体施工的成败。本文首先归纳了几种常见的施工平台，并简要的介绍了ANSYS模拟软件在深水桩施工平台的模拟构造及计算原理，对平台的结构与施工控制做了浅要分析。
【关键词】深水桩；施工平台；ANSYS模拟
一、深水桩的发展现状
随着现代社会交通运输业的蓬勃发展，基础建设成为国家大力发展的重点方面，为了满足社会发展和经济建设的需要，各种跨河、跨海大桥被大量的建造。随着大桥长度不断地增长、结构越来越多样、面对的各种自然状况越来越复杂，施工控制技术的发展就显得愈发的重要。
特别是在面对深水中桥墩的建设这一难题时，深水桩施工平台的搭建就显得尤为重要。所搭建的施工平台其结构必须有足够的稳定性，能够有效地抵抗风浪的打击和海水的侵蚀，并且由于平台上的载荷处在一个动态的变化中，已浇筑的桩强度也处在变化中。因此，对深水桩基础施工平台的结构进行详细的分析就显得及其必要了。
经过多年的发展，我国的深水桩技术已经得到了长足的发展，从早期的沉箱沉井基础，到20世纪中叶的管桩、混凝土桩基础直到现在的组合基础，以此来对应越来越多变的地理环境。
二、几种常见的深水桩施工平台
常见的深水桩施工平台的种类有：支架施工平台；钢板桩围堰平台；浮运薄壳沉井平台等。
1支架施工平台
在桥墩的位置处把露出水面（或海面）的钢筋混凝土或木桩等支护利用振动法或锤击法打入水下作为支护桩。入土深度与设计施工时要求的支撑能力及稳定性保持一致，通常应大于3m。通过在个独立的支护桩上铺设薄钢板或木板，形成一个工作平台。在铺设的同时应注意，根据国家标准，平台的高度不应低于最高水位的0.5m。平台面积可根据桩孔数量和排列方式灵活规划，为了最大限度的减少平台面积，水泥砂石料等建筑材料可安置在船舶上面。
2钢板桩围堰平台
尽管深水桩本身有强大的抵抗力，在打入河底后还可与河床形成整体，进一步加强其稳定性，但如果水流过于湍急，铺设深水桩的施工过程就会非常辛苦。此时，可以先在桥墩处设置围堰，这样一来围堰内的水流速度就基本处于静止，不仅利于施工，在冬季还可以消除冰凌的威胁。
3浮运薄壳沉井平台
在遇到河床裸露的情况时，围堰的办法就难以达到预想的结果了。在这种情况下，采用浮运薄壳沉井，将各桩孔一起圈在沉井内用以替代单个护筒。得益于其庞大的体积，能够更稳定的进行施工。将事先做好的沉井吊装到运输船上，待其到达预定的位置时，浮船抛锚，使沉井下沉到位，工作人员随即用麻袋堵塞沉井周围的缝隙，防止泥沙流入。然后再在沉井上搭设工作平台。
三、施工平台建模概述
本文主要介绍以ANSYS软件为平台建立施工平台的模型。ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发出的在土木建筑行业具有巨大影响力的一款模拟软件。强大的运算能力和数据接口、丰富的素材库、模型库和求解器，使其在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。
ANSYS所使用的基本方法为有限元法（FEM）。
类似于微积分，有限元法是将一个完整的结构划分成若干歌有限的单元，以单元的节点位移为基本未知量，利用数学方程求解，最终得到其相应的内力。对深水桩施工平台而言，要根据其具体的设计性能指标对其进行稳定性分析。主要涉及两个方面：
1、单桩在打设就位后平联尚未形成的悬臂状态最不利工况下的抗扭转、抗倾覆、抗滑动、抗压等稳定性分析。
2、考虑桩群整体效应时施工平台稳定性的仿真分析。
具体步骤如下：
（1）离散化
离散化是指在模型化处理后，将待分析的工程结构从几何划分为有限个单元，在指定单元的边界上设置节点，使单元点之间所包含的参数具有连续性，以此来构成整个单元的集合，并用其取代之前的结构。
（2）单元分析
离散化的完成标志着单元分析的开始。首先导出单元节点位移与节点力之间的关系，然后，还需要按静力等效原则将作用于每个单元上的外力简化到结点上，构成等效结点力。
假设出由基本未知量表达的位移函数（对单元参数的连续性合理性有重要影响），并根据该位移函数即可推导出用节点位移表示单元内任一点唯一的表达式：
（1）
式中：为单元上任意一点位移表达式；为插值函数矩阵；为节点位移向量；为应变矩阵；为应力矩阵；为应变矩阵；为弹性矩阵。
推导出该表达式后，开始分析单元力学特征，包括以下3个步骤：
1、利用几何方程，由位移表达式导出用结点位移表示的单元应变关系式：
（2）
式中：为单元的节点位移矩阵
2、由公式（1）和公式（2）即可推出用结点位移表示的单元应力关系式：
（3）
式中：为单元内任一点应力矩阵
3、利用变分原理，建立作用于单元的结点力和节点位移之间的关系式，单元的平衡方程为：
（4）
（5）
式中：为单元刚度矩阵
公式（4）应用于单元整体，当单元坐标系与结构坐标系不同时，还需进行坐标转换，即：
（6）
（1）整体分析
所谓整体分析，是将个独立的单元看成一个统一的整体来进行分析，其目的是建立整个结构的刚度方程。
整体刚度矩阵为，载荷矩阵为，点位移向量为，由此可知整体平衡方程为：
（7）
通过公式（7）并结合组合的边界条件及特点，求出未知位移；再利用已知的节点位移根据公式（3）计算各单元应力。
结构的有限元法分析主要有下面3大步骤：
（1）预先处理。
预先处理的主要要务是，建立结构分析的有限元模型。主要步骤有：预先准备；选择分析单元；设定有关常数；确定材料属性；建立模型；网格划分。
（2）负载和求解。
施加荷载的目的是进行结构计算。其主要步骤为：施加荷载条件；设置边界条件；求解。
（3）事后处理。
事后处理的主要任务就是进行结构计算结果的分析，第一步查看结果，接着进行结果检验分析。
身份证号码：450104196811280520
【摘 要】在桥梁建设中深水桩基础施工平台的建设是整个桥梁建设中非常重要的一个环节，平台搭建的好坏直接影响桥梁主体施工的成败。本文首先归纳了几种常见的施工平台，并简要的介绍了ANSYS模拟软件在深水桩施工平台的模拟构造及计算原理，对平台的结构与施工控制做了浅要分析。
【关键词】深水桩；施工平台；ANSYS模拟
一、深水桩的发展现状
随着现代社会交通运输业的蓬勃发展，基础建设成为国家大力发展的重点方面，为了满足社会发展和经济建设的需要，各种跨河、跨海大桥被大量的建造。随着大桥长度不断地增长、结构越来越多样、面对的各种自然状况越来越复杂，施工控制技术的发展就显得愈发的重要。
特别是在面对深水中桥墩的建设这一难题时，深水桩施工平台的搭建就显得尤为重要。所搭建的施工平台其结构必须有足够的稳定性，能够有效地抵抗风浪的打击和海水的侵蚀，并且由于平台上的载荷处在一个动态的变化中，已浇筑的桩强度也处在变化中。因此，对深水桩基础施工平台的结构进行详细的分析就显得及其必要了。
经过多年的发展，我国的深水桩技术已经得到了长足的发展，从早期的沉箱沉井基础，到20世纪中叶的管桩、混凝土桩基础直到现在的组合基础，以此来对应越来越多变的地理环境。
二、几种常见的深水桩施工平台
常见的深水桩施工平台的种类有：支架施工平台；钢板桩围堰平台；浮运薄壳沉井平台等。
1支架施工平台
在桥墩的位置处把露出水面（或海面）的钢筋混凝土或木桩等支护利用振动法或锤击法打入水下作为支护桩。入土深度与设计施工时要求的支撑能力及稳定性保持一致，通常应大于3m。通过在个独立的支护桩上铺设薄钢板或木板，形成一个工作平台。在铺设的同时应注意，根据国家标准，平台的高度不应低于最高水位的0.5m。平台面积可根据桩孔数量和排列方式灵活规划，为了最大限度的减少平台面积，水泥砂石料等建筑材料可安置在船舶上面。
2钢板桩围堰平台
尽管深水桩本身有强大的抵抗力，在打入河底后还可与河床形成整体，进一步加强其稳定性，但如果水流过于湍急，铺设深水桩的施工过程就会非常辛苦。此时，可以先在桥墩处设置围堰，这样一来围堰内的水流速度就基本处于静止，不仅利于施工，在冬季还可以消除冰凌的威胁。
3浮运薄壳沉井平台
在遇到河床裸露的情况时，围堰的办法就难以达到预想的结果了。在这种情况下，采用浮运薄壳沉井，将各桩孔一起圈在沉井内用以替代单个护筒。得益于其庞大的体积，能够更稳定的进行施工。将事先做好的沉井吊装到运输船上，待其到达预定的位置时，浮船抛锚，使沉井下沉到位，工作人员随即用麻袋堵塞沉井周围的缝隙，防止泥沙流入。然后再在沉井上搭设工作平台。
三、施工平台建模概述
本文主要介绍以ANSYS软件为平台建立施工平台的模型。ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发出的在土木建筑行业具有巨大影响力的一款模拟软件。强大的运算能力和数据接口、丰富的素材库、模型库和求解器，使其在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。
ANSYS所使用的基本方法为有限元法（FEM）。
类似于微积分，有限元法是将一个完整的结构划分成若干歌有限的单元，以单元的节点位移为基本未知量，利用数学方程求解，最终得到其相应的内力。对深水桩施工平台而言，要根据其具体的设计性能指标对其进行稳定性分析。主要涉及两个方面：
1、单桩在打设就位后平联尚未形成的悬臂状态最不利工况下的抗扭转、抗倾覆、抗滑动、抗压等稳定性分析。
2、考虑桩群整体效应时施工平台稳定性的仿真分析。
具体步骤如下：
（1）离散化
离散化是指在模型化处理后，将待分析的工程结构从几何划分为有限个单元，在指定单元的边界上设置节点，使单元点之间所包含的参数具有连续性，以此来构成整个单元的集合，并用其取代之前的结构。
（2）单元分析
离散化的完成标志着单元分析的开始。首先导出单元节点位移与节点力之间的关系，然后，还需要按静力等效原则将作用于每个单元上的外力简化到结点上，构成等效结点力。
假设出由基本未知量表达的位移函数（对单元参数的连续性合理性有重要影响），并根据该位移函数即可推导出用节点位移表示单元内任一点唯一的表达式：
（1）
式中：为单元上任意一点位移表达式；为插值函数矩阵；为节点位移向量；为应变矩阵；为应力矩阵；为应变矩阵；为弹性矩阵。
推导出该表达式后，开始分析单元力学特征，包括以下3个步骤：
1、利用几何方程，由位移表达式导出用结点位移表示的单元应变关系式：
（2）
式中：为单元的节点位移矩阵
2、由公式（1）和公式（2）即可推出用结点位移表示的单元应力关系式：
（3）
式中：为单元内任一点应力矩阵
3、利用变分原理，建立作用于单元的结点力和节点位移之间的关系式，单元的平衡方程为：
（4）
（5）
式中：为单元刚度矩阵
公式（4）应用于单元整体，当单元坐标系与结构坐标系不同时，还需进行坐标转换，即：
（6）
（1）整体分析
所谓整体分析，是将个独立的单元看成一个统一的整体来进行分析，其目的是建立整个结构的刚度方程。
整体刚度矩阵为，载荷矩阵为，点位移向量为，由此可知整体平衡方程为：
（7）
通过公式（7）并结合组合的边界条件及特点，求出未知位移；再利用已知的节点位移根据公式（3）计算各单元应力。
结构的有限元法分析主要有下面3大步骤：
（1）预先处理。
预先处理的主要要务是，建立结构分析的有限元模型。主要步骤有：预先准备；选择分析单元；设定有关常数；确定材料属性；建立模型；网格划分。
（2）负载和求解。
施加荷载的目的是进行结构计算。其主要步骤为：施加荷载条件；设置边界条件；求解。
（3）事后处理。
事后处理的主要任务就是进行结构计算结果的分析，第一步查看结果，接着进行结果检验分析。